CN114801353B - 一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，包括：制备连续长碳纤维布和复合短切纤维网胎；将一层连续长碳纤维布与一层复合短切碳纤维网胎进行针刺，制备出多种类型的复合纤维单元层；将复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。本发明的技术方案解决了现有碳纤维整体针刺预制体，由于断裂伸长率较小造成的脆性特征，从而带来的梳理技术难度较高，所制备的短切碳纤维网胎性能均匀性和长纤维保持率较差，以及网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康等问题。

Description

一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法
技术领域
本发明涉及但不限于碳纤维复合材料技术领域，尤指一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法。
背景技术
碳纤维整体针刺预制体是目前在碳/碳或碳/陶复合材料中广泛采用的一种预制体结构类型，该结构克服了2D铺层预制体层间强度弱的缺点，同时又克服了3D编织预制体工艺复杂、成本高的不足。
但碳纤维整体针刺预制体在使用过程中也面临着越来越多的问题，亟待通过结构和工艺的完善进行改进。上述碳纤维整体针刺预制体主要存在以下问题：第一，碳纤维由于断裂伸长率较小，碳纤维整体针刺预制体中的网胎结构在梳理成网过程中容易造成脆性断裂损伤，增加了梳理的技术难度；第二，由于碳纤维的断裂伸长率小造成的脆性特征，制备的短切碳纤维网胎性能均匀性和长纤维保持率较差，最终影响碳纤维整体针刺预制体的结构性能；第三，由于碳纤维的脆性特征，使得网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康，也容易引起电器设施的短路等事故发生；第四，碳纤维采购成本比一般的预氧丝纤维成本高出3倍以上，造成碳纤维整体针刺毡制备成本居高不下。
发明内容
本发明的目的：本发明实施例提供一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，以解决现有碳纤维整体针刺预制体，由于断裂伸长率较小造成的脆性特征，从而带来的梳理技术难度较高，所制备的短切碳纤维网胎性能均匀性和长纤维保持率较差，以及网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康等问题。
本发明的技术方案：本发明为了克服上述技术问题，提出了一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，包括：
步骤1，制备连续长碳纤维布，所制备得到的连续长碳纤维布中的连续长碳纤维包括普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维；
步骤2，制备复合短切纤维网胎，采用短切预氧丝纤维与短切碳纤维按照预设重量比例混合，并采用网胎梳理设备制备得到复合短切碳纤维网胎；其中，所述短切预氧丝纤维为短切聚丙烯腈基预氧丝纤维；
步骤3，制备复合纤维单元层，将步骤1中制备得到的一层连续长碳纤维布与步骤2中制备得到的一层复合短切碳纤维网胎进行针刺，制备出多种类型的复合纤维单元层；
步骤4，复合针刺，将步骤3制备得到的复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，
所述步骤1中分别采用普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维，制备出长碳纤维无纬布、长碳纤维平纹布及长碳纤维缎纹布；
步骤1中展宽连续长碳纤维采用纤维编织技术制备得到展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布；
所制备出的连续长碳纤维布的类型包括：普通长碳纤维无纬布、普通长碳纤维平纹布和普通长碳纤维缎纹布，以及展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布；其中，每种类型的连续长碳纤维布的面密度范围为40～480g/m2。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，所述步骤1中的展宽连续长碳纤维为采用普通连续长碳纤维进行展宽处理得到的，所述展宽处理过程中，要求用于制备的普通连续长碳纤维始终处于紧绷状态，且每根纤维丝束之间留有预设的间隙。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，所述步骤2中制备复合短切纤维网胎的方式为：
分别制备短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎；根据预设重量比例对已制备出的短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎进行组合，组合时将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎叠加铺层，并经过一次复合针刺操作，形成复合短切纤维网胎1；其中，所述预设重量比例通过在网胎梳理过程中合理控制短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎的面密度来实现。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，所述步骤2中制备复合短切纤维网胎的方式为：
将短切碳纤维与短切预氧丝纤维在裁切时按照所述预设重量比例进行混合，将混合得到的混合短切纤维进行网胎梳理，形成混合短切纤维网胎，并对混合短切纤维网胎进行一次复合针刺，形成复合短切纤维网胎2。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，所述步骤3具体包括：
将步骤1中制备得到的各种类型的连续长碳纤维布中的其中一种连续长碳纤维布与步骤2中制备得到的复合短切纤维网胎1或复合短切纤维网胎2进行针刺，制备出12种类型的复合纤维单元层。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，所述步骤4包括：
采用步骤3中制备得到的全部或部分类型的复合纤维单元层，以交叉叠层(0°/90°)的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
本发明实施例还提供一种预氧丝/碳纤维结构预制体，所述预氧丝/碳纤维结构预制体为多层复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺所得到的；
所述多层复合纤维单元层包括由多种类型的普通长碳纤维布和多种类型的复合短切纤维网胎组合得到的12种类型的复合纤维单元层，包括：A.普通长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；B.普通长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；C.普通长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；D.展宽长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；E.展宽长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；F.展宽长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；G.普通长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；H.普通长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；I.普通长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；J.展宽长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；K.展宽长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；L.展宽长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体中，所述预氧丝/碳纤维结构预制体包含聚丙烯腈基预氧丝和碳纤维两种材料成分。
可选地，如上所述的预氧丝/碳纤维结构预制体中，所述预氧丝/碳纤维结构预制体的结构包括了两种组成部分：
一是，连续长碳纤维布，包括普通碳纤维无纬布、普通碳纤维平纹布及普通碳纤维缎纹布、展宽碳纤维无纬布、展宽碳纤维平纹布及展宽碳纤维缎纹布等六种类型；
二是，复合短切纤维网胎，包括层间复合短切纤维网胎和直接复合短切纤维网胎两种类型。
本发明的有益效果：本发明实施例提供一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，具体为同时含有聚丙烯腈基预氧丝和碳纤维的预制体结构及其制备方式，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，增加了短切预氧丝纤维网胎，显著降低了短切碳纤维网胎梳理时造成的脆性断裂损伤的可能性，大幅降低梳理的技术难度，生产效率得到显著提升；
2)通过短切碳纤维网胎与短切预氧丝纤维网胎的复合，确保了一定数量的Z向纤维的存在，不会因全部为短切预氧丝纤维而在后期造成收缩以致分层，显著降低了热收缩系数差异造成的热应力，确保了预制体的结构完整度和结构强度；
3)保留连续长碳纤维布层，确保了长碳纤维整体针刺预制体的结构强度保持在很高水平；
4)通常的预制体制备的粉尘来源绝大部分来自网胎梳理环节，由于碳纤维的易脆性断裂的特性，使得网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康，也容易引起电器设施的短路等事故发生；本发明的制备方法中，通过增加短切预氧丝纤维网胎，能够很大程度上消减生产现场的粉尘污染；
5)长碳纤维采购成本比一般的预氧丝纤维成本高出3倍以上，造成长碳纤维整体针刺毡制备成本居高不下；本发明的制备方法中，由于引入短切预氧丝纤维，能够使生产成本得到至少20％以上的降低。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
上述背景技术中已经说明碳纤维整体针刺预制体所存在的主要问题，包括：
第一，碳纤维由于断裂伸长率较小，碳纤维整体针刺预制体中的网胎结构在梳理成网过程中容易造成脆性断裂损伤，增加了梳理的技术难度；
第二，由于碳纤维的断裂伸长率小造成的脆性特征，制备的短切碳纤维网胎性能均匀性和长纤维保持率较差，最终影响碳纤维整体针刺预制体的结构性能；
第三，由于碳纤维的脆性特征，使得网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康，也容易引起电器设施的短路等事故发生；
第四，碳纤维采购成本比一般的预氧丝纤维成本高出3倍以上，造成碳纤维整体针刺毡制备成本居高不下。
为了解决上述问题，前人考虑利用预氧丝纤维替代碳纤维，存在几种替代方法：一种是全部替代的方案，包括将连续碳纤维布层和短切纤维网胎层全部替代为预氧丝纤维；一种是将连续长碳纤维替代为预氧丝，而网胎层仍为短切碳纤维。这两种方法都存在一定的问题。一方面，针对全部替代的方案，将连续纤维布层全部采用预氧丝将显著降低预制体的结构强度，因为连续纤维布层是提供预制体结构强韧性的主要部分，而预氧丝本身的强度远小于碳纤维。另一方面，针对部分代替的方案，在后续碳材料产品生产过程中遇到高温会发生至少30％以上的收缩，影响预制体的尺寸完整性。
因此，基于对上述已有技术方案的分析，本发明提出了一种预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，以解决上述技术问题。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
第一部分：本发明实施例提供一种预氧丝/碳纤维结构预制体，以下对该预氧丝/碳纤维结构预制体的结构和成分进行说明：
(1)该预氧丝/碳纤维结构预制体具体为：多层复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺所得到的；
其中多层复合纤维单元层包括12种类型的复合纤维单元层，具体包括如下12种类型的复合纤维单元层：
A.普通长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；
B.普通长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；
C.普通长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；
D.展宽长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；
E.展宽长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；
F.展宽长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；
G.普通长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；
H.普通长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；
I.普通长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；
J.展宽长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；
K.展宽长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；
L.展宽长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层。
(2)预氧丝/碳纤维结构预制体包含聚丙烯腈基预氧丝和碳纤维两种材料成分；
(3)预氧丝/碳纤维结构预制体的结构包括了两种组成部分：
一是，连续长碳纤维布，包括：普通长碳纤维无纬布、普通长碳纤维平纹布和普通长碳纤维缎纹布，以及展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布这六种类型；
二是，复合短切纤维网胎，包括：层间复合短切纤维网胎和直接复合短切纤维网胎这两种类型。
第二部分：本发明实施例还提供一种预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，该制备方法用于制备上述第一部分中提供的预氧丝/碳纤维结构预制体。图1为本发明实施例提供的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，可以包括如下步骤：
步骤1，制备连续长碳纤维布。
连续长碳纤维布包括长碳纤维无纬布、长碳纤维平纹布及长碳纤维缎纹布等结构类型。该步骤1中，制备得到的连续长碳纤维布中的连续长碳纤维包括普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维；即步骤1中，分别采用普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维，制备出长碳纤维无纬布、长碳纤维平纹布及长碳纤维缎纹布，具体的，步骤1中展宽连续长碳纤维采用纤维编织技术制备得到展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布。
本发明实施例的步骤1中，制备出的连续长碳纤维布的类型包括：普通长碳纤维无纬布、普通长碳纤维平纹布和普通长碳纤维缎纹布，以及展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布；其中，每种类型的连续长碳纤维布的面密度范围为40～480g/m2。
在实际应用中，本发明实施例的步骤1中的展宽连续长碳纤维可以为：采用普通连续长碳纤维进行展宽处理得到的，展宽处理过程中，要求用于制备的普通连续长碳纤维始终处于紧绷状态，且每根纤维丝束之间留有预设的间隙，该间隙例如为≥5mm。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
常规短切纤维是由连续长纤维裁切制得50～180mm；本发明实施例中的复合短切纤维是由短切预氧丝纤维与短切碳纤维按照一定重量比例混合，并采用网胎梳理设备制备得到复合短切碳纤维网胎，其面密度为40～480g/m2。其中，短切预氧丝纤维为短切聚丙烯腈基预氧丝纤维，聚丙烯腈基预氧丝的重量占短切纤维的总重量比例从20～90％，由于它的易梳理性，其长度一般比短切碳纤维长10～30mm。。
本发明实施例的步骤2中，复合短切纤维网胎的制备方式主要包括以下两种方式：
第一种方式：层间复合短切纤维网胎。
在具体实施中，分别制备短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎；然后根据预设重量比例对已制备出的短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎进行组合，组合时将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎叠加铺层，并在平板针刺机中进行一次复合针刺操作，形成复合短切纤维网胎1。其中，预设重量比例通过在网胎梳理过程中合理控制短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎的面密度来实现。
第二种方式：直接复合短切纤维网胎。
在具体实施中，将短切碳纤维与短切预氧丝纤维在裁切时按照预设重量比例进行混合，然后将按一定重量比例混合得到的混合短切纤维(包括短切碳纤维和短切预氧丝纤维)进行网胎梳理，形成混合纤维网胎，然后对混合短切纤维网胎进行一次复合针刺，形成复合短切纤维网胎2。
步骤3，制备复合纤维单元层，将步骤1中制备得到的一层连续长碳纤维布与步骤2中制备得到的一层复合短切碳纤维网胎进行针刺，制备出多种类型的复合纤维单元层。
在具体实施中，将步骤1中制备得到的各种类型的连续长碳纤维布中的其中一种连续长碳纤维布与步骤2中制备得到的复合短切纤维网胎1或复合短切纤维网胎2进行针刺，制备出12种类型的复合纤维单元层；即如上述实施例中A到L的12种类型的复合纤维单元层。
步骤4，复合针刺，将步骤3制备得到的复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
该步骤4中，采用步骤3中制备得到的全部或部分类型的复合纤维单元层，以交叉叠层(0°/90°)的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
在本发明实施例的一种实现方式中，上述步骤1中的普通长碳纤维例如包括3K、6K、12K、24K、48K等规格碳纤维。
在本发明实施例的一种实现方式中，上述步骤1中的展宽处理过程中，务必使得碳纤维时刻处于紧绷状态，且每根丝束之间留有一定的间隙，该间隙例如大于或等于5mm。
在本发明实施例的一种实现方式中，上述步骤1中展宽处理的碳纤维展宽后的宽度是可自由调节，一般为原碳纤维丝束宽度的1.2～4.5倍。
在本发明实施例的一种实现方式中，上述步骤4中的复合针刺可以是平板结构产品，也可以是圆筒、锥形或异型面结构产品。在加工圆筒、锥形或异型面结构产品时，需增加相应的模具定形，确保产品尺寸。
本发明实施例提供的预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法，具体为同时含有聚丙烯腈基预氧丝和碳纤维的预制体结构及其制备方式，用于制备碳/碳或碳/陶复合材料用高性能纤维针刺结构预制体，尤其是由碳纤维和预氧丝纤维组成的用于航空、轨道交通、汽车等刹车材料预制体，航天用耐烧蚀高温结构材料预制体及高温设备用热结构材料预制体。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法中，增加了短切预氧丝纤维网胎，显著降低了短切碳纤维网胎梳理时造成的脆性断裂损伤的可能性，大幅降低梳理的技术难度，生产效率得到显著提升；
2)通过短切碳纤维网胎与短切预氧丝纤维网胎的复合，确保了一定数量的Z向纤维的存在，不会因全部为短切预氧丝纤维而在后期造成收缩以致分层，显著降低了热收缩系数差异造成的热应力，确保了预制体的结构完整度和结构强度；
3)保留连续长碳纤维布层，确保了长碳纤维整体针刺预制体的结构强度保持在很高水平；
4)通常的预制体制备的粉尘来源绝大部分来自网胎梳理环节，由于碳纤维的易脆性断裂的特性，使得网胎在梳理时会产生很大的微细碳纤维粉尘，造成加工环境粉尘污染大，损害工人健康，也容易引起电器设施的短路等事故发生；本发明的制备方法中，通过增加短切预氧丝纤维网胎，能够很大程度上消减生产现场的粉尘污染；
5)长碳纤维采购成本比一般的预氧丝纤维成本高出3倍以上，造成长碳纤维整体针刺毡制备成本居高不下；本发明的制备方法中，由于引入短切预氧丝纤维，能够使生产成本得到至少20％以上的降低。
以下通过一些具体实施例对本发明实施例提供的预氧丝/碳纤维结构预制体及其制备方法的实施方式进行示意性说明。
实施例一：
本实施例具体提供一种含有普通长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层A)结构的预氧丝/碳纤维平板预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维结构预制体含有普通长碳纤维无纬布、层间复合短切纤维网胎，其中普通长碳纤维无纬布采用3K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备普通长碳纤维无纬布。
采用3K普通连续长碳纤维制备普通长碳纤维无纬布，通过调整普通连续长碳纤维间距，使普通长碳纤维无纬布的面密度达到95g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为50mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为30g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为80mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为10g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为40g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为25％。
步骤3，制备复合纤维单元层A。
将步骤1中制备的普通长碳纤维无纬布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层A。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层A以交叉叠层(0°/90°)的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到碳纤维整体针刺预制体板材厚度要求。其板材的宽度和长度可根据实际要求采用裁切设备进行裁切。
实施例二：
本实施例具体提供一种含有普通长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层B)结构的预氧丝/碳纤维圆筒预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维圆筒预制体含有普通长碳纤维平纹布、层间复合短切纤维网胎，其中普通长碳纤维平纹布采用6K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备普通长碳纤维平纹布。
采用6K普通连续长碳纤维制备普通长碳纤维平纹布，制备过程中控制面密度达到180g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为60mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为50g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为80mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为25g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为75g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为33％。
步骤3，制备复合纤维单元层B。
将步骤1中制备的普通长碳纤维平纹布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层B。本实施例中复合纤维单元层B的长度应为圆筒预制体外径的整数倍，其宽度不应小于圆筒预制体的高度。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层B沿圆筒木模进行轴向缠绕，先缠绕两层在圆筒针刺机上进行针刺，然后继续缠绕第三层再进行针刺，依此操作步骤循环进行针刺操作，直至达到预氧丝/碳纤维圆筒预制体壁厚要求。
实施例三：
本实施例具体提供一种含有普通长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层C)结构的预氧丝/碳纤维平板预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维平板预制体含有普通长碳纤维缎纹布、层间复合短切纤维网胎，其中普通长碳纤维缎纹布采用12K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备普通长碳纤维平纹布。
采用12K普通连续长碳纤维制备普通长碳纤维平纹布，制备过程中控制面密度达到230g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为70mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为60g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为90mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为40g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为100g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为40％。
步骤3，制备复合纤维单元层C。
将步骤1中制备的普通长碳纤维缎纹布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层C。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层C以交叉叠层(0°/90°)的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到碳纤维整体针刺预制体板材厚度要求。其板材的宽度和长度可根据实际要求采用裁切设备进行裁切。
实施例四：
本实施例具体提供一种含有展宽长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层D)结构的预氧丝/碳纤维圆筒预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维圆筒预制体含有展宽长碳纤维无纬布、层间复合短切纤维网胎，其中展宽长碳纤维无纬布采用24K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备展宽长碳纤维无纬布。
采用24K普通连续长碳纤维进行展宽处理制备展宽长碳纤维无纬布，制备过程中控制面密度达到240g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为80mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为60g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为80mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为50g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为110g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为45％。
步骤3，制备复合纤维单元层D。
将步骤1中制备的展宽长碳纤维无纬布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层D。该实施例中复合纤维单元层D的长度应为圆筒预制体外径的整数倍，其宽度不应小于圆筒预制体的高度。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层D沿圆筒木模进行轴向缠绕，先缠绕两层在圆筒针刺机上进行针刺，然后继续缠绕第三层再进行针刺，依此操作步骤循环进行针刺操作，直至达到预氧丝/碳纤维圆筒预制体壁厚要求。
实施例五：
本实施例具体提供一种含有展宽长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层E)结构的预氧丝/碳纤维平板预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维平板预制体含有展宽长碳纤维平纹布、层间复合短切纤维网胎，其中展宽长碳纤维平纹布采用48K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备展宽长碳纤维平纹布。
采用48K普通连续长碳纤维制备展宽长碳纤维平纹布，制备过程中控制面密度达到400g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为110mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为100g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为140mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为100g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为200g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为50％。
步骤3，制备复合纤维单元层E。
将步骤1中制备的展宽长碳纤维平纹布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层E。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层E以交叉叠层(0°/90°)的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到碳纤维整体针刺预制体板材厚度要求。其板材的宽度和长度可根据实际要求采用裁切设备进行裁切。
实施例六：
本实施例具体提供一种含有展宽长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层(以下简称为：复合纤维单元层D)结构的预氧丝/碳纤维圆筒预制体制备过程。
本实施例中，预氧丝/碳纤维圆筒预制体含有展宽长碳纤维缎纹布、层间复合短切纤维网胎，其中展宽长碳纤维无纬布采用24K长碳纤维。采用短切碳纤维制备的网胎和短切预氧丝纤维制备的网胎经叠加针刺制成层间复合短切纤维网胎。
本实施例具体过程包括以下步骤：
步骤1，制备展宽长碳纤维缎纹布；
采用24K普通连续长碳纤维进行展宽处理制备展宽长碳纤维缎纹布，制备过程中控制面密度达到480g/m2。
步骤2，制备复合短切纤维网胎。
首先，将普通连续长碳纤维裁切为130mm的短切碳纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切碳纤维网胎，其面密度为80g/m2。其次，将聚丙烯腈基预氧丝长纤维裁切为160mm的短切预氧丝纤维，采用网胎梳理设备将其通过开松、梳理、针刺制备成短切预氧丝纤维网胎，其面密度为160g/m2。再次，将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎在平板针刺机中进行针刺操作，形成复合短切纤维网胎1，其面密度为240g/m2。该实施例中短切预氧丝纤维网胎的重量占复合短切纤维网胎1比例为67％。
步骤3，制备复合纤维单元层F。
将步骤1中制备的展宽长碳纤维缎纹布与步骤2中制备的复合短切纤维网胎1进行针刺，制备得到复合纤维单元层F。该实施例中复合纤维单元层F的长度应为圆筒预制体外径的整数倍，其宽度不应小于圆筒预制体的高度。
步骤4，复合针刺。
将步骤3制备的复合纤维单元层F沿圆筒木模进行轴向缠绕，先缠绕两层在圆筒针刺机上进行针刺，然后继续缠绕第三层再进行针刺，依此操作步骤循环进行针刺操作，直至达到预氧丝/碳纤维圆筒预制体壁厚要求。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，制备连续长碳纤维布，所制备得到的连续长碳纤维布中的连续长碳纤维包括普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维；其中，所制备出的连续长碳纤维布的类型包括：普通长碳纤维无纬布、普通长碳纤维平纹布和普通长碳纤维缎纹布，以及展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布；其中，每种类型的连续长碳纤维布的面密度为95g/m2、180g/m2、230g/m2、400g/m2、或480g/m2；
步骤2，制备复合短切纤维网胎，采用短切预氧丝纤维与短切碳纤维按照预设重量比例混合，并采用网胎梳理设备制备得到复合短切碳纤维网胎，网胎面密度为40~480g/m2；其中，所述短切预氧丝纤维为短切聚丙烯腈基预氧丝纤维，聚丙烯腈基预氧丝的重量占短切纤维的总重量比例从20~90%，其长度比短切碳纤维长10~30mm；所述步骤2中，通过分别制备出的短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎，通过复合针刺形成复合短切纤维网胎1；还通过将短切碳纤维与短切预氧丝纤维混合后进行网络梳理和复合针刺，形成复合短切纤维网胎2；
步骤3，制备复合纤维单元层，将步骤1中制备得到的各种类型的连续长碳纤维布中的其中一种连续长碳纤维布与步骤2中制备得到的复合短切纤维网胎1或复合短切纤维网胎2进行针刺，制备出12种类型的复合纤维单元层；
步骤4，复合针刺，将步骤3制备得到的复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
2.根据权利要求1所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，
所述步骤1中分别采用普通连续长碳纤维和展宽连续长碳纤维，制备出长碳纤维无纬布、长碳纤维平纹布及长碳纤维缎纹布；
步骤1中展宽连续长碳纤维采用纤维编织技术制备得到展宽长碳纤维无纬布、展宽长碳纤维平纹布和展宽长碳纤维缎纹布。
3.根据权利要求1所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的展宽连续长碳纤维为采用普通连续长碳纤维进行展宽处理得到的，所述展宽处理过程中，要求用于制备的普通连续长碳纤维始终处于紧绷状态，且每根纤维丝束之间留有预设的间隙。
4.根据权利要求2所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中制备复合短切纤维网胎的方式为：
分别制备短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎；根据预设重量比例对已制备出的短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎进行组合，组合时将一层短切预氧丝纤维网胎与一层短切碳纤维网胎叠加铺层，并经过一次复合针刺操作，形成复合短切纤维网胎1；其中，所述预设重量比例通过在网胎梳理过程中合理控制短切碳纤维网胎和短切预氧丝纤维网胎的面密度来实现。
5.根据权利要求2所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中制备复合短切纤维网胎的方式为：
将短切碳纤维与短切预氧丝纤维在裁切时按照所述预设重量比例进行混合，将混合得到的混合短切纤维进行网胎梳理，形成混合短切纤维网胎，并对混合短切纤维网胎进行一次复合针刺，形成复合短切纤维网胎2。
6.根据权利要求4或5所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤4包括：
采用步骤3中制备得到的全部或部分类型的复合纤维单元层，以0°/90°交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺，循环进行，直至达到预氧丝/碳纤维结构预制体的厚度要求。
7.一种预氧丝/碳纤维结构预制体，其特征在于，采用如权利要求1~6中任一项所述的预氧丝/碳纤维结构预制体的制备方法制备预氧丝/碳纤维结构预制体，所述预氧丝/碳纤维结构预制体为多层复合纤维单元层以交叉叠层的形式进行逐层或多层一组进行针刺所得到的；
所述多层复合纤维单元层包括由多种类型的普通长碳纤维布和多种类型的复合短切纤维网胎组合得到的12种类型的复合纤维单元层，包括：A.普通长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；B.普通长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；C.普通长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；D.展宽长碳纤维无纬布-层间复合短切纤维网胎单元层；E.展宽长碳纤维平纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；F.展宽长碳纤维缎纹布-层间复合短切纤维网胎单元层；G.普通长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；H.普通长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；I.普通长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；J.展宽长碳纤维无纬布-直接复合短切纤维网胎单元层；K.展宽长碳纤维平纹布-直接复合短切纤维网胎单元层；L.展宽长碳纤维缎纹布-直接复合短切纤维网胎单元层。
8.根据权利要求7所述的预氧丝/碳纤维结构预制体，其特征在于，所述预氧丝/碳纤维结构预制体包含聚丙烯腈基预氧丝和碳纤维两种材料成分。
9.根据权利要求7所述的预氧丝/碳纤维结构预制体，其特征在于，所述预氧丝/碳纤维结构预制体的结构包括了两种组成部分：
一是，连续长碳纤维布，包括普通碳纤维无纬布、普通碳纤维平纹布及普通碳纤维缎纹布、展宽碳纤维无纬布、展宽碳纤维平纹布及展宽碳纤维缎纹布六种类型；
二是，复合短切纤维网胎，包括层间复合短切纤维网胎和直接复合短切纤维网胎两种类型。
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